Os cientistas determinaram a estrutura do complexo de proteínas que dá às cianobactérias sua capacidade única de converter a luz solar fraca e filtrada em energia utilizável. Suas descobertas poderiam um dia ser usadas para projetar culturas que prosperam sob condições de pouca luz.
Minúsculos organismos fotossintéticos que vivem praticamente em todos os lugares da Terra, as cianobactérias ajudaram a criar uma atmosfera rica em oxigênio na Terra e continuam a fornecer grande parte do oxigênio que precisamos para sobreviver.
“Quando as cianobactérias vivem em condições de pouca luz , como sob a superfície de uma lagoa ou sob a serapilheira no chão da floresta, algumas são capazes de deixar de usar a luz visível que é mais favorável ao seu crescimento e atividades fotossintéticas para colher as mais fracas. , luz solar vermelha que penetra neles “, disse Donald Bryant, Ernest C. Pollard, professor de biotecnologia da Penn State. “Essa nova habilidade oferece às cianobactérias uma vantagem adaptativa sobre outros organismos e é parte do motivo de serem responsáveis por 50% de toda a atividade fotossintética do planeta”.
Em seu estudo, a equipe, que incluiu pesquisadores do Centro de Biodesign para Descoberta Estrutural Aplicada da Universidade Estadual do Arizona, investigou a Fischerella Thermalis , uma cianobactéria terrestre usada anteriormente como organismo modelo para o estudo da fotossíntese. Como todas as espécies de cianobactérias, F. Thermalis é rico em clorofila , o pigmento responsável pela absorção de luz. De acordo com Bryant, pesquisas recentes sugeriram que o complemento habitual de clorofila de F. Thermalis , chamado clorofila a, é parcialmente substituído sob condições de luz vermelha intensa por uma forma intimamente relacionada, mas quimicamente distinta, da molécula, conhecida como clorofila f .
“Até agora, apenas conseguimos especular sobre como as cianobactérias mudam para o uso da clorofila f porque não há informações estruturais sobre o mecanismo fotossintético envolvido para que possamos ver o que está acontecendo”, afirmou.
Para entender o fenômeno, Bryant e seus colegas usaram a microscopia eletrônica criogênica (Cryo-EM) para resolver a estrutura do fotossistema I de F. Thermalis , um dos dois complexos de proteínas responsáveis pela fotossíntese que ocorre em todos os organismos fotossintéticos. O Cryo-EM pode determinar estruturas biomoleculares com resolução em escala quase atômica. Usando o método, os pesquisadores foram capazes de observar a localização das moléculas de clorofila f presentes em F. Thermalis . Especificamente, a equipe identificou quatro locais onde essas moléculas de clorofila f podem se ligar e se tornar funcionais.
“Ao sintetizar e incorporar cerca de 8% de clorofila f em seus complexos do fotossistema I, o F. Thermalis é capaz de realizar a fotossíntese usando luz vermelha distante de até 800 nanômetros”, disse Chris Gisriel, associado de pós-doutorado da Universidade de Yale que participou nessa pesquisa enquanto era pesquisador no Centro de Biodesign da Arizona State University para Descoberta Estrutural Aplicada.
As descobertas da equipe aparecem hoje (5 de fevereiro) na revista Science Advances .
Bryant disse que em pesquisas anteriores, ele e seus colegas descobriram que outra proteína nas células cianobacterianas detecta o comprimento de onda da luz recebida e ativa a produção do aparato fotossintético modificado quando a luz vermelha é predominante sobre a luz visível.
Gisriel acrescentou: “A pesquisa sugere que talvez 25% de todas as cianobactérias, incluindo organismos comuns do solo, possuam essa capacidade. Isso implicaria que uma parcela significativa – cerca de um oitavo – do oxigênio na Terra vem de organismos com essa adaptação”.
As descobertas da equipe sugerem possibilidades interessantes para futuras aplicações. Por exemplo, as culturas podem ser potencialmente ajustadas para controlar suas propriedades de absorção de luz, dependendo das condições de luz ambiente. Além disso, duas culturas poderiam potencialmente ser cultivadas juntas, com culturas mais curtas, como a alfafa, extraindo luz vermelha de seus locais sombreados sob as culturas mais altas, como o milho. Essa estratégia poderia produzir o dobro da produção agrícola por unidade de área.